Аналіз перспектив використання теплових насосів в Україні

Аналіз перспектив використання теплових насосів в Україні 1. Загальні положення В умовах загострення дефіциту та зростання цін на енергоносії пошук нових ефективних енергозберігаючих технологій для отримання теплоти і використання нетрадиційних поновлюваних джерел енергії (НВДЕ) актуальне практично для всіх галузей економіки. Особливо гостро проблема окреслилася в теплопостачанні об'єктів ЖКГ, де витрати палива на виробництво теплоти, перевершують у 1,7 рази витрати на електропостачання. Основними недоліками децентралізованих джерел теплопостачання є низька енергетична, економічна та екологічна ефективність. А високі транспортні тарифи на доставку енергоносіїв і часті аварії на теплотрасах посилюють негативні фактори, притаманні традиційному централізованого теплопостачання. Одним з ефективних енергозберігаючих способів, що дають можливість економити органічне паливо, знижувати забруднення навколишнього середовища, задовольняти потреби споживачів у технологічному теплі, є застосування теплонасосних технологій виробництва теплоти. Тепловий насос представляє собою установку, перетворюючу низькопотенційну відновлювану енергію природних джерел теплоти та/або низькотемпературних ВЕР в енергію більш високого потенціалу, придатну для практичного використання. В якості джерел низькопотенційної теплоти використовуються атмосферне повітря або різні вентиляційні викиди, вода природних водойм і скидні води систем охолодження промислового обладнання, стічні води систем аерації, грунт. Відомості про деяких ІНТ ІНТ Середовище проміжного контуру Температура джерела, °З Грунтові води вода 8...15 Грунт антифриз 2...10 Вода з водозабору вода 6...10 Річкова вода антифриз 1...10 Каналізаційні стоки вода 10...17 Навколишній повітря повітря -8...15 Витяжне повітря повітря 18...25 Споживачами енергії підвищеного потенціалу є системи опалення і гарячого водопостачання житлових, адміністративних, соціальних і промислових будівель, системи підтримки оптимального мікроклімату в спортивних і кіноконцертних комплексах, басейнах, тваринницьких приміщеннях, технологічні промислові процеси сушіння, поділу речовин, дистиляції та інші. Оскільки напрямок передачі енергії в ТН протилежно природному напрямку перетікання теплоти від гарячого тіла до холодного, то таке перетворення, відповідно до Другого Закону Термодинаміки, можливо лише в зворотному термодинамічному циклі за рахунок підведення деякої кількості енергії ззовні у вигляді механічної або електричної. Енергетична ефективність перетворення енергії в тепловому насосі оцінюється коефіцієнтом перетворення енергії (СОР), рівним відношенню енергії, переданої споживачу, до енергії, витраченої для реалізації циклу: СОР = Qк / Nэл Слід зауважити, що величина СМІТТЯ, в силу Першого Закону Термодинаміки, завжди більше одиниці, так як кількість енергії, переданої споживачу теплоти, виявляється більше величини підведеної зовнішньої енергії на величину енергії, відібраної від низькопотенційного джерела. Величина СМІТТЯ залежить від цілого ряду факторів, але перш за все від різниці температур джерела і приймача теплоти. Умовами раціонального застосування ТН є вдале поєднання параметрів джерела теплоти низького потенціалу (ІНП) достатньою енергоємності і необхідних параметрів теплоти у споживача. Наприклад, для сучасної системи підлогового опалення достатні температури теплоносія 30-350С застосування фанкойлов в якості опалювальних приладів дозволяє використовувати рівень температур 45-600С, тоді як для традиційної системи опалення з радіаторами температура теплоносія повинна бути не менш 70-900С. Особливо вигідно застосування ТН при одночасному використанні тепла і холоду, що успішно реалізується в ряді технологічних процесів у промисловості, сільському господарстві, системах кондиціонування повітря та ін. Основними перевагами застосування теплонасосних технологій перетворення теплоти є: • висока енергетична ефективність, • екологічна чистота, • надійність, • комбіноване виробництво тепла і холоду в єдиній установці, • мобільність, • універсальність щодо теплової потужності, • універсальність по виду використовуваної низькопотенційної енергії, • повна автоматизація роботи установки. Говорячи про переваги отримання теплової енергії з допомогою ТН, не можна піддаватися спокусливому висновку про їх абсолютну застосовності. Необхідно ретельно оцінювати доцільність використання ТНУ в порівнянні з традиційними, альтернативними видами енергоджерел, базуючись на наступних факторах: Термодинамічний Фактор: реалізований цикл, температура НПИТ і температура теплоносія споживача теплоти, властивостей робочого тіла. Чинник конструктивний: тип компресора, тип теплообмінників, їх технічні характеристики, схемне рішення установки. Фактор економічний: рівень цін на електроенергію і замещаемое паливо, ціни на застосовуване устаткування та його монтаж і наладку, ціни на систему автоматизації. Екологічний Фактор: відсутність процесу спалювання палива в циклі ТН, зменшення викидів СО2 за рахунок витіснення частини потрібного палива при високої енергетичної ефективності установки. Фактор соціальний: поліпшення умов праці та життя населення. 2. Про застосування теплонасосних технологій в Україні В Україні, на жаль, сьогодні важко вказати якийсь інший напрямок розвитку нової техніки і технології, яке б знаходилося в такому разительном суперечності, як зі своїми потенційними можливостями, так і з рівнем розвитку в інших країнах світу. Якщо в розвинених країнах рахунок працюючих ТНУ різного функціонального напрямку ведеться на мільйони або сотні тисяч одиниць, в Україні працюють поодинокі установки, створені, в основному на елементній базі холодильного обладнання, що ввозиться з країн Західної Європи від спеціалізованих фірм виробників. Разюче відставання України від країн успішно використовують теплонасосну технологію можна пояснити як об'єктивними факторами – розвиток енергетики в державі здійснювалося в основному шляхом централізованого теплопостачання та теплофікації, так і суб'єктивними – недостатньою увагою конкретних підприємств до економії паливно-енергетичних ресурсів. До головних причин належать також відсутність демонстраційного парку працюють ТНУ різного функціонального призначення та реклами їх переваг та відсутність державної підтримки при розробці, дослідженнях і впровадженні даного типу обладнання. Наприклад, на державному рівні має вирішуватися питання про створення у вітчизняного споживача зацікавленості у застосуванні замість традиційного энергорасточительного індивідуального опалення енергетично більш ефективного енергозберігаючого, хоча і відносно дорогого опалення на базі теплонасосної технології. Згідно «Концепції розвитку паливно-енергетичного комплексу України на 2006-2030 роки» передбачається збільшення обсягу виробництва теплової енергії за рахунок термотрансформатоів, теплових насосів та акумуляційних електронагрівачів з 1,7 млн. Гкал/рік у 2005р. до 180 млн. Гкал/рік у 2030 р., тобто більше, ніж у 100 разів. Безсумнівно, що при відповідній підтримці з боку держави це могло б бути більшим стимулом у реальному, а не декларованої впровадження енергозберігаючих технологій. Але сьогодні в уряді обговорюється Закон про єдиний тариф на електроенергію для всіх промислових підприємств, що поряд з єдиним тарифом на теплову енергію, зводить до нуля ефект від застосування енергозберігаючих технологій. Доречно зауважити, що впровадження теплонасосних технологій у всіх країнах світу відбувалося і відбувається при суттєвої державної підтримки у вигляді двоставкового тарифу на купівлю електроенергії, субсидій покупцям ТН техніки, субсидій і грантів виробникам теплонасосного обладнання і фірмам, які впроваджують теплонасосну технологію, податкових або кредитних пільг. В Україні створення і впровадження ТНУ базується в основному на ентузіазмі виконавців. Слід зазначити серію реалізованих проектів Центру енергозбереження Київзндіеп під керівництвом В. Ф. Гершковича. Це проект експериментальної теплиці обігрівається тепловим насосом «повітря-грунт» з використанням вертикальних ґрунтових теплообмінників. Протягом 8 років експлуатації температура повітря в теплиці автоматично підтримувалася на рівні 15-20 0С цілий рік, при цьому коефіцієнт перетворення коливався від 4 до 2.2. Інший проект, який представляє практичний інтерес, реалізований в грудні 1999 року. Це проект опалення тепловим насосом «повітря-повітря» 4-х поверхового офісного будинку р. в Києві. Застосований тут тепловий насос французької фірми CIAT гарантовано міг працювати при температурах зовнішнього повітря до мінус 150С. Встановивши тепловий насос в спеціальному технічному приміщенні, де припливне атмосферне повітря підігрівався теплим витяжним повітрям, навіть при температурах зовнішнього повітря нижче мінус 200С, на вхід випарника повітря надходив з температурою, що забезпечує його безпечну роботу. У літній час теплонасосное обладнання забезпечує кондиціонування приміщень. Досвід безвідмовної експлуатації ТН протягом більше 5 років дає підстави авторам проекту стверджувати, що комбіноване опалення та кондиціонування будівлі по техніко-економічним показниками перевершує опалення від теплової мережі від місцевої газової котельні та кондиціонування по роздільній схемі. У НПП «Інсолар» спільно з Іпмаш НАН України створена серія теплових насосів для технологічних процесів сушіння. Сушильні установки були і залишаються на сьогодні найбільш раціональної областю впровадження теплонасосної технології для підготовки сушильного агента. Теплонасосні сушильні установки були створені в блоковому і агрегатному виконанні з одне і двоконтурної рециркуляцією сушильного агента. Вони були успішно застосовані для м'якої сушіння деревини, кераміки, гіпсових форм, овочів і фруктів, лікарських трав, продуктів харчування. Лабораторні та промислові випробування показали, що енерговитрати на 1 кг вологи, що видаляється можуть бути знижені в 2-4 рази порівняно з традиційною конвективної сушарки. Можлива реалізація високоефективної сушіння зневодненим повітрям незалежно від погодних і сезонних умов при повному виключенні впливу канцерогенів на высушиваемые продукти. Спільне використання тепла і холоду, виробленого в ТНУ, дозволяє в сушильній багатофункціональної установки охолоджувати висушений матеріал, що дуже важливо при сушінні продуктів, лікарських трав, насіння і товарного зерна та іншої сировини сільськогосподарського виробництва. Для осушення повітря без його кінцевого охолодження була створена серія теплонасосних осушувачів повітря. Принцип роботи полягав в охолодженні повітря нижче точки роси в випарнику, відведення вологи з повітря і подальшому підігріві його в конденсаторі ТНУ перед подачею споживачеві. Проблема осушення, очищення та підтримання оптимальних температур повітря актуальна в медицині, при виробництві надточних електронних приладів і обладнання, при створенні сприятливих умов для реалізації технологічних процесів у хімічному виробництві, при осушенні повітря у складських приміщеннях, майстернях, для створення сприятливих умов праці, відпочинку і побуту. Надійність у роботі, простота конструкції і експлуатації, не вимагає складних комунікацій, багатофункціональність, екологічна чистота, низькі енерговитрати, можливість автоматичного підтримання заданого режиму за температури та відносної вологості в приміщенні були підтверджені при випробуваннях створених зразків у лабораторних і промислових умовах. Техніко-економічні розрахунки показують, що витрати палива в системах теплопостачання на базі ТНУ для об'єктів ЖКГ можуть бути зменшені порівняно з великими опалювальними котельнями в 1,2-1,8 разів, порівняно з дрібними котельними та індивідуальними теплогенераторами в 2-2,6 рази порівняно з електронагрівачами в 3-3,6 рази. Термін окупності капіталовкладень у ТНУ зазвичай становить від 2 до 5 років. У системах з рекуперацією теплоти низькопотенційних скидних енергопотоків терміни окупності можуть бути менше 2 років. Наприклад, капіталовкладення в систему забезпечення оптимального температурно-вологісного режиму в типовому критому басейні, розроблену НВП «Інсолар» на базі ТНУ та утилізаторів теплоти скидних повітряних і водяних потоків та впроваджену у басейні «Нафтовик» р. Охтирка Сумської області, окупилися за 18 місяців експлуатації. При цьому вдалося майже в 8 разів знизити пікове енергоспоживання і виключити басейн з розряду энергорасточительных об'єктів. Застосування ТН, крім того, дозволяє знизити викиди СО2, NOx в порівнянні з традиційними системами теплопостачання в 2-5 разів, в залежності від виду заміщається органічного палива. Впровадження енергоджерел на базі ТНУ в автономні системи тепло - і холодопостачання в областях, де це впровадження раціонально і конкурентоспроможним, дозволить комплексно вирішити проблеми, актуальні для економіки України: енергозбереження, економічну, екологічну і соціальну. Слід також зазначити, що протягом останнього десятиліття, з відомих причин, ціни на холодильне вітчизняне обладнання на внутрішньому ринку зросли і практично зрівнялася з цінами на аналогічне устаткування, вироблене передовими світовими фірмами, хоча за якістю, надійності, ефективності та дизайну воно (вітчизняне обладнання) залишається поки не конкурентоздатна з закордонним. Це призвело до того, що переважна більшість систем тепло - та холодопостачання сьогодні затребувані споживачами, якщо вони створені на елементній базі технічно більш досконалої зарубіжної техніки. 3. Перспектива впровадження ТНУ в Україні. Аналіз ситуації в економіці України в цілому і в ЖКГ зокрема показує, що є колосальні невикористані потенційні можливості заощадження дорогого органічного палива і зниження забруднення навколишнього середовища продуктами згоряння та/або низькотемпературними технологічними скидами при впровадженні теплонасосних установок різного функціонального призначення в областях, де це впровадження доцільно. Областями найбільш раціонального впровадження є: • застосування теплових насосів «повітря-повітря», «повітря-вода», «вода-вода», «грунт-вода» в житлово-комунальному секторі для гарячого водопостачання та опалення будинків по моновалентною, бівалентної і моноэнергетической схемами тепловою потужністю 5-30 кВт; найбільш привабливим для запровадження реверсивних ТН «повітря-повітря» є регіони півдня України і Кримський півострів, а також об'єкти, де є достатні обсяги скидного вентиляційного повітря; • привабливо так само комбіноване опалення в холодний період і кондиціонування в жарку пору приміщень на базі ТНУ; • застосування ТНУ в системах створення оптимального мікроклімату у великих громадських будівлях, спортивних і кіноконцертних комплексах, критих басейнах, де поряд з проблемами термостатування і утилізації теплоти скидних повітряних і водяних потоків створюються умови, що виключають умови конденсації вологи на металевих і залізобетонних будівельних конструкціях, що провокують їх корозію та руйнування; • комплексні автоматизовані системи на базі ТНУ і теплообмінників-рекуператорів для підтримання оптимального мікроклімату в тваринницьких приміщеннях, свинарниках, пташниках, інкубаторах та інших об'єктах агропромислового комплексу; • застосування теплових насосів в різних технологічних процесах промисловості і сільського господарства (сушка продуктів, матеріалів, сировини, дистиляція, осушення приміщень тощо ); • з допомогою великомасштабних ТНУ (тепловою потужністю до 20-30 Гкал/год) можна розглянути питання їх застосування в енергетиці (утилізація скидної теплоти циркуляційної води після конденсатора турбіни та можливі варіанти передачі її в тепломережу). Теплонасосна технологія перетворення низькопотенційної природної енергії або теплоти вторинних низькотемпературних енергоресурсів в високопотенційне теплову енергію, придатну для практичного використання, являє собою не чергову модернізацію традиційних енергоджерел, а впровадження нового, прогресивного, високоефективного та екологічно чистого способу отримання теплоти. При цьому теплонасосні установки (ТНУ) багатофункціональні (одночасно виробляють тепло і холод), мобільні, відносно прості у виготовленні і експлуатації і легко піддаються автоматизації. Навіть сьогодні без державної підтримки в Україні проявляється підвищений інтерес до застосування теплонасосних технологій отримання тепла як ефективного інструменту енергозбереження, а вбудовані одиничні зразки ТН техніки підтверджують перераховані вище достоїнства. Виконаний стислий аналіз проблем і можливостей використання теплонасосної технології перетворення низькопотенційної теплоти дозволяє зробити наступні висновки: 1. Ha сьогоднішній день для вирішення проблем енергозбереження ТН є найбільш перспективними серед джерел «нетрадиційної енергетики» завдяки можливості «черпати» поновлювану енергію з навколишнього середовища. У світовій практиці для перетворення низькопотенційної теплоти найбільше поширення отримали парокомпресійні ТН з електричним приводом. 2. Україна суттєво відстає від країн світового співтовариства як з виробництва, так і щодо впровадження ТН в різні галузі економіки. В Україні немає промислового виробництва ТН, впроваджені установки виробляються, як правило, в одиничних екземплярах, але навіть при своїх оптимальних параметрах підтверджують переваги і унікальність застосування ТН як ефективних енергозберігаючих джерел теплоти в різних галузях економіки. 3. Конкурентоспроможність ТН залежить від великого числа факторів термодинамічного, конструктивного, економічного характеру, від їх функціонального призначення і екологічного впливу на навколишнє середовище тощо Спрощений підхід до підбору потужностей і комплектуючих, вибору схемних рішень, до монтажу та сервісного обслуговування щодо дорогих ТН може призвести до дискредитації ідеї впровадження теплонасосних технологій в очах вітчизняного споживача.